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從輕量化和提高靜穩(wěn)性觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)樹脂制齒輪的用途要求高。但是，一般來說，與鋼制齒輪相比，存在強(qiáng)度不足的問題，適用領(lǐng)域沒有超出預(yù)期。在石井等人開發(fā)的護(hù)理、康復(fù)訓(xùn)練、重作業(yè)支援機(jī)器用促動(dòng)器中，內(nèi)置的高速齒輪采用了能夠傳遞必要扭矩的鋼制齒輪，但為了輕量化和提高靜穩(wěn)性，需要將其用樹脂代替。這次，我們以該準(zhǔn)雙曲線齒輪為對(duì)象，對(duì)提高樹脂制齒輪強(qiáng)度的方案進(jìn)行了驗(yàn)證。
作為提高樹脂制齒輪強(qiáng)度的方法，迄今為止也在研究使用碳纖維樹脂制齒輪，碳纖維具有鐵的10倍的比強(qiáng)度和優(yōu)異的特性，通過提高連續(xù)碳纖維的填充率，可以進(jìn)一步提高其特性。
因此，本研究進(jìn)行了高密度填充連續(xù)碳纖維的CFRP制高精度齒輪的制作和評(píng)價(jià)，并通過與具有優(yōu)異強(qiáng)度特性的PEEK制高精度齒輪進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，確認(rèn)了其有效性。
2. CFRP準(zhǔn)雙曲線齒輪的設(shè)計(jì)與制作
如圖1所示，使用連續(xù)碳纖維作為樹脂準(zhǔn)雙曲線齒輪的增強(qiáng)材料。將碳纖維沿著齒形呈螺旋狀配置。在一般的樹脂齒輪中，由于齒根強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破損現(xiàn)象比較普遍，因此將碳纖維沿著齒的形狀取向，碳纖維抵抗齒輪齒根彎曲引起的拉力，從而提高齒輪齒根的強(qiáng)度。另外，如果斷續(xù)地使用纖維，則纖維端部的強(qiáng)度是由較低強(qiáng)度的基體樹脂的特性所支配，破損通常從該處開始。為了解決這一問題，我們使用PPS（聚苯硫醚）作為基體，將連續(xù)碳纖維配置成螺旋狀，可以均勻地強(qiáng)化齒輪整體。一般來說，樹脂齒輪與金屬相比，熱導(dǎo)率小，由于驅(qū)動(dòng)引起的摩擦，溫度上升，強(qiáng)度有下降的傾向。之所以采用PPS，是因?yàn)樵谔岣唑?qū)動(dòng)時(shí)對(duì)摩擦熱的耐熱性的同時(shí)，在所有樹脂中強(qiáng)度和剛性也高，即使在高溫中機(jī)械性能的降低幅度也小。
圖1 采用的方法
CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪的制作流程如圖2所示。以單向高密度（樹脂含量40±5wt%，碳纖維含量53%）填充碳纖維織物為原料。為了緩和沖壓成形時(shí)施加的碳纖維的應(yīng)力，采用了大致符合齒輪齒形的預(yù)制件。由于準(zhǔn)雙曲面齒輪沒有理論齒形，所以用3D掃描儀讀取市面上銷售的鋼制準(zhǔn)雙曲面齒輪的形狀，制成沖壓模具。鋼制準(zhǔn)雙曲面齒輪的齒輪規(guī)格如表1所示。通過將模壓成形的CFRP齒部嵌入成形，實(shí)現(xiàn)CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪。用于嵌入成形的材料與CFRP齒部的基體材料相同，考慮耐熱性和成形性使用PPS。
表1 鋼制準(zhǔn)雙曲面齒輪尺寸
圖2 CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪制作流程
3. 評(píng)估方法
評(píng)估試驗(yàn)用準(zhǔn)雙曲面齒輪如圖3所示。作為CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪的比較對(duì)象，準(zhǔn)備了作為樹脂材料具有高強(qiáng)度的PEEK制準(zhǔn)雙曲面齒輪。PEEK準(zhǔn)雙曲面齒輪是以制作沖壓成形模具的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過切削加工制作而成。此外，如果齒面含有增強(qiáng)纖維（短纖維），則會(huì)促進(jìn)磨損，因此選定的PEEK材料不使用增強(qiáng)纖維。
評(píng)估試驗(yàn)分靜強(qiáng)度試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)均采用鋼制游星齒輪作為配對(duì)齒輪。因此，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦熱可通過配對(duì)齒輪散熱，減小熱量對(duì)試驗(yàn)的影響。
由于準(zhǔn)雙曲面齒輪在旋轉(zhuǎn)方向上的特性不同，兩種試驗(yàn)都從準(zhǔn)雙曲面齒輪的上方看，均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)環(huán)境在室溫下的大氣條件下實(shí)施。
在靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)中，固定鋼制游星齒輪，以極低速驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)用準(zhǔn)雙曲面齒輪齒輪，測(cè)定了準(zhǔn)雙曲面齒輪齒輪直至破損的變形量和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速為1mim-1，無潤(rùn)滑。
耐久試驗(yàn)是通過負(fù)載機(jī)施加恒定扭矩負(fù)載，測(cè)定了準(zhǔn)雙曲面齒輪直至破損的轉(zhuǎn)速。由于本試驗(yàn)是以檢測(cè)CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪的有效性為目的，但實(shí)驗(yàn)用準(zhǔn)雙曲面齒輪轉(zhuǎn)速達(dá)到105時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。此外，本試驗(yàn)再潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的條件下進(jìn)行。
圖3 準(zhǔn)雙曲面齒輪
4. 評(píng)估結(jié)果
靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)超過大扭矩時(shí)，扭矩減小是因?yàn)榘l(fā)生破損的原因。由圖可知，CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪的大破損強(qiáng)度是265N·m，PEEK準(zhǔn)雙曲面齒輪大破損強(qiáng)度是154N·m。兩者相比，CFRP齒輪的靜態(tài)強(qiáng)度為PEEK齒輪的1.7倍，證明碳纖維復(fù)合材料提高了齒根的強(qiáng)度。
耐久試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在負(fù)載扭矩為30N·m、即使旋轉(zhuǎn)105，也未發(fā)生破損，分別在在40N·m/旋轉(zhuǎn)4.8X104和50N·m/旋轉(zhuǎn)1.2X104時(shí)發(fā)生破損。而PEEK齒輪在負(fù)載扭矩為20N·m、旋轉(zhuǎn)105時(shí)未發(fā)生破損，但在40N·m/旋轉(zhuǎn)2.0X104和50N·m/旋轉(zhuǎn)3.6X103時(shí)發(fā)生破損。CFRP齒輪與PEEK齒輪的耐久性相比，在負(fù)載扭矩是40N·m時(shí)，CFRP是PEEK的2.4倍；在負(fù)載扭矩是50N·m是，CFRP是PEEK的3.3倍。
圖4 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
圖5扭矩與疲勞壽命的關(guān)系
5.結(jié)束語
本次通過制作CFRP準(zhǔn)雙曲面齒輪，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，CFRP齒輪與PEEK齒輪相比，具有約1.7倍的靜態(tài)強(qiáng)度和2~3倍的耐久性，顯示出優(yōu)異的特性。
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